Giải thưởng Sinh viên nghiên cứu khoa học Euréka lần 20 năm 2018

Kỷ yếu khoa học

NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHẾ VÀ TÍNH CHẤT HẤP PHỤ ION PB2+
CỦA THAN SINH HỌC TỪ VỎ TRẤU
Võ Viễn*, Đặng Thị Ngọc Hà, Nguyễn Thị Mỹ Duyên,
Nguyễn Thảo Thư, Lê Quốc Đạt, Phạm Thị Oanh, Đặng Văn Phúc
Trường Đại học Quy Nhơn
*Tác giả liên lạc:
TÓM TẮT
Việc sử dụng than sinh học như một chất hấp phụ để loại bỏ kim loại nặng trong
nước đã được nghiên cứu rộng rãi. Để chứng minh ứng dụng tiềm năng này,
trong cơng trình này, vật liệu than sinh học đã được điều chế bằng cách nhiệt
phân trấu trong môi trường khí N2 ở các nhiệt độ khác nhau (300, 400, 500 và
600oC) trong 4h, ký hiệu là VT-x-4, trong đó x là nhiệt độ (oC). Các vật liệu đã
điều chế được đặc trưng bởi phương pháp nhiễu xạ tia X, quang phổ hồng ngoại,
kính hiển vi điện tử quét và đẳng nhiệt hấp phụ N2 ở 77K. Sự hấp phụ Pb2+ trong
nước trên các vật liệu đã được nghiên cứu, kết quả cho thấy vật liệu VT-400-4
thể hiện khả năng hấp phụ lớn nhất là 54,35 mg/g và sự hấp phụ phù hợp với mơ
hình đẳng nhiệt Langmuir.
Từ khóa: Than sinh học, trấu, hấp phụ, chì.
STUDY ON PREPARATION AND Pb2+ ADSORPTION PROPERTIES
OF BIOCHAR FROM RICE HUSK
Vo Vien*, Dang Thi Ngoc Ha, Nguyen Thi My Duyen,
Nguyen Thao Thu, Le Quoc Dat, Pham Thi Oanh, Dang Van Phuc
Quy Nhon University
*Corresponding Author:
ABSTRACT
The use of biochar as an adsorbent for removal of heavy metals from water has
been widely investigated. In order to demonstrate this potential application, in

this work, biochar materials were prepared by pyrolysing rice husk in N2 gas at
various temperatures (300, 400, 500 and 600oC) for 4h, and denoted as VT-x-4,
where x is temperature (oC). The as-prepared materials were characterized by Xray diffraction, infrared spectroscopy, scanning electron microscopy and
adsorption-desorption isotherms of N2 at 77K. The adsorption of Pb2+ in water
on the materials was investigated, which showed that VT-400-4 exhibited the
largest adsorption capacity of 54.35 mg/g and the adsorption fitted to the
Langmuir model.
Keywords: Biochar, rice husk, adsorption, lead.
trong những nguyên tố độc nhất đối với
con người và có thể tồn tại với nồng độ
rất cao trong nước thải cơng nghiệp.
Chì có thể đi vào cơ thể qua chuỗi
nước-thực phẩm gây nên các triệu
chứng về hơ hấp, tiêu hóa, thần kinh,
máu, tiết niệu và hệ thống miễn dịch

TỔNG QUAN
Ơ nhiễm mơi trường đang ngày được
đặt ra ở hầu hết các nước trên thế giới.
Trong số các chất ơ nhiễm có các ion
kim loại nặng, bao gồm chì, cadimi,
crơm và niken. Trong số các kim loại
nặng này, Pb (II) được xem như một
20


Giải thưởng Sinh viên nghiên cứu khoa học Euréka lần 20 năm 2018

của ngộ độc cấp tính hoặc mãn tính,
thậm chí gây chết. Đã có nhiều kỹ thuật

khác nhau để xử lý kim loại nặng, như
phương pháp kết tủa, trao đổi ion, chiết
dung mơi, lọc màng, oxy hóa hóa học
hay điện hóa. Tuy nhiên, so với các
phương pháp khác, hấp phụ ion kim
loại nặng trên các vật liệu rắn có ưu
điểm trong việc xử lý nước do tính đơn
giản, do đó nó được chọn như một giải
pháp có tính kinh tế.
Vật liệu rắn dùng làm chất hấp phụ ion
kim loại nặng được thử nghiệm rất
nhiều, trong đó, các nhà khoa học có
xu hướng tìm kiếm các vật liệu có diện
tích bề mặt lớn và số tâm hấp phụ
nhiều. Thời gian gần đây, than sinh
học, một vật liệu hữu cơ giàu các bon
được điều chế bởi nung sinh khối trong
môi trường thiếu oxy, được quan tâm
nhiều trong việc sử dụng làm chất hấp
phụ ion kim loại nặng. Do bề mặt có
diện tích tương đối lớn, tích điện âm,
mật độ điện tích lớn và có hệ thống
mao quản, than sinh học được cân nhắc
như một vật liệu rẻ tiền, phong phú làm
chất hấp phụ ion kim loại nặng trong
dung dịch nước. Mặc dù vậy, việc
nghiên cứu tìm kiếm thêm các phương
pháp điều chế than sinh học từ phụ
phẩm nông nghiệp đang được đặt ra.
Trong bài báo này, chúng tơi trình bày

một số kết quả nghiên cứu điều chế
than sinh học từ vỏ trấu ở các nhiệt độ
khác nhau ứng dụng để hấp phụ ion
kim loại Pb2+ trong nước. Mơ hình
động học của quá trình hấp phụ cũng
được thảo luận.

Kỷ yếu khoa học

độ 300oC, 400oC, 500oC và 600oC
trong 4 giờ với một lò nung ống dưới
dịng khí N2. Mẫu cuối cùng được ký
hiệu VT-x-4, trong đó x là nhiệt độ
nung.
Phương pháp đặc trưng
Nhiễu xạ tia X (XRD) của các mẫu
được đo trên nhiễu xạ kế Brucker D8
Advance với ống phát xạ tia X của Cu
có bước sóng λ (CuKα) = 1,5406 Å,
cơng suất 40kV, dòng 40mA. Ảnh hiển
vi điện tử quét (SEM) được chụp trên
máy Nova NanoSEM 450. Phổ hồng
ngoại (IR) được ghi trên phổ kế
IRAffinity-1S
(Shimadzu)
trong
khoảng 400 đến 4000 cm-1. Hấp phụgiải hấp phụ N2 ở 77K được thực hiện
trên thiết bị TriStar 3000 của
Micromeritics.
Nghiên cứu tính chất hấp phụ

Đường chuẩn để xác định ion Pb2+
được xây dựng dựa trên các mẫu pha
có nồng độ khác nhau từ dung dịch
chuẩn. Quá trình hấp phụ thực hiện ở
nhiệt độ phòng. Để xác định thời gian
cân bằng hấp phụ, cho 0,1 gam than
sinh học và 80 mL dung dịch Pb2+ có
nồng độ 78.65 ppm vào cốc 100 mL,
khuấy đều trên máy khuấy từ. Sau thời
gian 30, 60, 90, 120, 150 và 180 phút,
lấy 10 mL hỗn hợp và ly tâm 2 lần (tốc
độ 6000 vòng/phút trong 15 phút), để
loại bỏ chất hấp phụ. Nồng độ Pb2+ còn
lại trong dung dịch được xác định bằng
phương pháp von–ampe hòa tan trên
máy cực phổ vi phân CPAiocHH5B ở
điện thế -1.2 – 0.2V. Để xác định động
học hấp phụ, quá trình hấp phụ ở các
nồng độ Pb2+ khác nhau từ 65 đến
185ppm cũng được khảo sát theo quy
trình trên.
Dung lượng hấp phụ (q) được tính theo
cơng thức:
C −C
qt = om t V (mg/g)
Trong đó, m là khối lượng chất hấp phụ
(g); Co và Ce là nồng độ ban đầu và

VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP
NGHIÊN CỨU

Tổng hợp vật liệu
Các mẫu than sinh học được điều chế
như sau: Vỏ trấu được nghiền, rửa sạch
với nước cất, sau đó sấy khơ ở nhiệt độ
80oC trong 24 giờ. Lấy 10 gam mẫu
nguyên liệu đem nhiệt phân ở các nhiệt
21


Giải thưởng Sinh viên nghiên cứu khoa học Euréka lần 20 năm 2018

nồng độ cân bằng của ion Pb2+ (ppm);
V là thể tích dung dịch chứa ion kim
loại Pb2+ dùng cho mỗi lần hấp phụ
(mL); giá trị qe được tính như qt ở thời
điểm cân bằng (mg/g).
Động học hấp phụ được áp dụng theo
hai phương trình đẳng nhiệt hấp phụ
phổ biến nhất là Langmuir và
Freundlich
Đẳng nhiệt Langmuir có dạng tuyến
C
C
1
tính là: e = e +
, với qmax
qe

qmax


Kỷ yếu khoa học

Như đã trình bày trong phần thực
nghiệm, để khảo sát ảnh hưởng của
nhiệt độ nung đến tính chất của vật
liệu, 4 mẫu than sinh học được điều chế
từ vỏ trấu ở các nhiệt độ 300oC, 400 oC,
500oC và 600oC trong thời gian 4 giờ.
Việc chọn thời gian nung 4 giờ được
khảo sát sơ bộ trước nhưng khơng trình
bày ở trong bài báo này. Để xác định
thành phần pha, các mẫu được đặc
trưng bởi kỹ thuật XRD và kết quả
được trình bày trong hình 1. Có thể
nhận thấy rằng, tất cả các mẫu đều có
hai pic đặc trưng cho than sinh học. Pic
thứ nhất có cường độ yếu ở khoảng
9,4o. Pic này có thể do các nguyên tử
oxy chèn vào giữa các lớp và liên kết
với các mặt graphit được tạo ra trong
q trình nhiệt phân sinh khối. Ngồi
ra, các vật liệu đều có một pic rộng,
cường độ mạnh ở xung quanh 21,5o.
Pic này có thể quy cho các tấm SiO2
dạng tridymit và graphit, chúng tồn tại
ngẫu nhiên trong cấu trúc kiểu gợn
sóng (corrugated). Kết quả này minh
chứng cho việc tạo thành than sinh học
từ vỏ trấu khi xử lý ở nhiệt độ từ 300oC
đến 600oC.


KL .qmax

(mg/g) là dung lượng hấp phụ đơn lớp
cực đại; KL là tham số phương trình
Langmuir. Dựng đồ thị tuyến tính sự
phụ thuộc Ce/qe theo Ce, xác định được
các đại lượng qmax, KL.
Đẳng nhiệt Freundlich có dạng tuyến
1
tính là: lnqe = lnK F + n lnCe , với KF
và n là tham số của phương trình
Freundlich, đặc trưng dung lượng hấp
phụ và cường độ (lực) hấp phụ. Giá trị
của KF và n có thể được tính theo giản
đồ sự phụ thuộc giữa lnqe và lnCe bằng
phương pháp quy hồi tuyến tính từ các
số liệu thực nghiệm.
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

Hình 1. Giản đồ XRD của VT-300-4 (a), VT-400-4 (b), VT-500-4 (c) và VT600-4 (d)
Để đặc trưng các liên kết có trong các các phổ đều có hình dạng như nhau.
vật liệu, kỹ thuật phổ hồng ngoại cũng Pic rộng có số sóng xung quanh 3450
được ứng dụng và kết quả được trình cm-1 được xem là dao động của nhóm
bày trong hình 2. Nhìn chung, tất cả OH do nước hấp phụ. Với pic này,
22


Giải thưởng Sinh viên nghiên cứu khoa học Euréka lần 20 năm 2018


riêng mẫu VT-400-4 có cường độ bé
nhất. Có thể tính ưa nước của bề mặt
vật liệu này kém. Pic ở 2335 cm-1 có
thể do nhóm -CH2. Các pic yếu ở 1704,
1616, 1522 và 1455 cm-1 có thể do
nhóm COOH, COOC hay keton. Ngồi
ra, các phổ cịn xuất hiện một vai ở

Kỷ yếu khoa học

1233 cm-1 có thể do dao động của liên
kết C-O-C. Điều đáng lưu ý là các mẫu
có các pic mạnh ở các vị trí 1098, 789
và 474 cm-1 có thể quy kết cho Si-OSi. Kết quả IR thu được phù hợp với
các công bố về than sinh học thu được
từ vỏ trấu.

Hình 2. Phổ IR của vật liệu VT-300-4 (a), VT-400-4 (b), VT-500-4 (c) và VT600-4 (d)
phụ-giải hấp phụ N2 ở 77K. Các mẫu
than sinh học có khả năng hấp phụ tốt
Pb2+ trong nước, tuy nhiên mẫu có
dung lượng cao nhất (54,35 mg/g) là
mẫu xử lý ở 400oC (VT-400-4). Sự hấp
phụ Pb2+ trên VT-400-4 tuân theo mơ
hình đẳng nhiệt Langmuir.

KẾT LUẬN
Đã điều chế thành cơng than sinh học
bằng phương pháp nung vỏ trấu trong
môi trường khí N2 ở các nhiệt độ khác

nhau 300, 400, 500 và 600oC trong 4
giờ. Các vật liệu được đặc trưng bởi
các kỹ thuật nhiễu xạ tia X, phổ hồng
ngoại, ảnh hiển vi điện tử quét, hấp

TÀI LIỆU THAM KHẢO
F. L. FU, Q. WANG (2011). Removal of heavy metal ions from wastewaters: a
review, J. Environ. Manag. 92, 407–418.
M. HUA, S. ZHANG, B. PAN, W. ZHANG, L. LV, Q. ZHANG (2012). Heavy
metal removal from water/wastewater by nanosized metal oxides: a
review, J. Hazard. Mater. 211, 317–331.
X. D. CAO, L. N. MA, Y. LIANG, B. GAO, W HARRIS (2011). Simultaneous
immobilization of lead and atrazine in contaminated soils using dairymanure biochar. Environ. Sci. Technol. 45, 4884–4889.

23